哈工大机器人技术课件第一章

1、传感技术 赵学增 黄文涛 陈芳 王广林 机电工程学院机电工程学院 2012.2-2012.4 教材：教材： 现代传感技术基础及应用现代传感技术基础及应用 赵学增等赵学增等 清华大学出版社清华大学出版社 2 绪论 传感器的地位与作用 传感器的定义 传感器的组成 传感器的分类 对传感器的一般性要求 传感器的发展方向 3 一、传感器的地位与作用 地位 l机械人类的体力的延伸 l计算机人类智力的延伸 l传感器人类感知力的延伸 电五官：视、听、嗅、味、触5 “觉” l视觉：显微镜的发明，望远镜的发明 l听觉：超声、次声波 应用 l高新技术领域：阿波罗 2077个传感器 l现代生产技术领域：化工生产线、数

2、控机床 l基础科学领域：探索极限、探索未知 4 一、传感器的地位与作用 基础科学领域：探索极限 l距离、时间:、温度、压力、磁场等 l传感器的发展推动着生产和科技的进步，生 产和科技的进步反过来也要求和支持着传感 器的发展和进步 现代信息产业的三大技术支柱 l传感技术 l网络技术 l计算机技术 传感器与其它学科的关系 l“伴生”关系 5 二、传感器的定义 传感器在国内外的一些叫法 国外 Transducer, Sensor, Transduction Element, Converter, Gauge, Transponder, Transmitter, Detector, Pick-up,

3、Probe, X-meter. 国内 传感器、换能器、变换器、敏感器件、 探测器、检出器、检测器， 计（如加速度计）。 6 传感器的定义 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为 与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的 测量器件或装置。 上述定义包含了以下含义： l传感器是测量装置，能完成检测任务； l其输入量是某种被测量，可能是物理量，也可能是 化学量、生物量等； l其输出量是某种便于传输、转换、处理和显示的物 理量，如气、光、电量等，目前主要是电量 l输出量与输入输入有对应关系，并且具有一定的精 确度。 7 敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路 辅助电源辅助电源 传感器的组成

4、框图 三、传感器的组成 一般由敏感元件和转换元件2部分组成 有时还有转换电路和辅助电源2部分 被测量电参量 量 电量另一量 8 传感器的组成 敏感元件：能直接感受或响应被测量，并输出 与之成确定关系的某一另类物理量。 转换元件：将敏感元件的输出转换为电参量。 转换电路：把转换元件输出变为易于处理、显 示、记录、控制的信号。既可以和敏感元件作 在一起，也可分开。 辅助电源：提供传感器正常工作所需能量的电 源部分，它有内部供电和外部供电2种形式。 9 传感器的组成 弹性体弹性体1为敏感元件，它感受被测力为敏感元件，它感受被测力F并将它转换成应并将它转换成应 变；变； 电阻应变片电阻应变片2是转换元

5、件，它将弹性体输出的应变转换是转换元件，它将弹性体输出的应变转换 成电阻值的变化；成电阻值的变化； 电桥电桥3是转换电路，它将电阻值的变化转换成电压是转换电路，它将电阻值的变化转换成电压U输输 出；出； 电源电源4是辅助电源，它为电桥供电。是辅助电源，它为电桥供电。 3-电桥 4-电源 1-弹性体 2-应变片 U F 10 电磁式压力传感器 大气压大气压 Pa 被测气压被测气压 P 1-壳体壳体 4-线圈线圈 2-膜盒膜盒 3-磁芯磁芯 6-电源 5-交流电桥电量 敏感元件：膜盒，敏感元件：膜盒，P-x 转换元件转换元件: 磁芯、线圈磁芯、线圈,x-L 转换电路转换电路: 交流电桥，交流电桥，

6、L-V 辅助电源辅助电源: 电源电源 11 传感器的组成 实际上，有些传感器并不能明显区分敏 感元件和转换元件两个部分，而是二者 合为一体。如图所示的热电偶 TTo A B 12 四、传感器的分类 分类方法传感器的种类说 明 按依据的效应分类 物理传感器 化学传感器 生物传感器 基于物理效应，如光、电、声、磁、热效应； 基于化学效应，如化学吸附、选择性化学反应 等；基于生物效应，如基于酶、抗体、激素等 分子识别和选择功能的生物传感器 按工作原理分类 应变式、电容式、电感式、 电磁式、压电式、热电式、 光电式传感器等 传感器依据其工作原理命名 按被测量分类 位移、速度、温度、压力、 气体成分、浓

7、度等等 传感器依据被测量命名 按使用的敏感材料分类 半导体传感器、光纤传感器、 复合材料传感器、金属传感 器、陶瓷传感器、高分子材 料传感器等 传感器依据使用的材料命名 按能量关系分类 能量转换型传感器 能量控制型传感器 能量转换型直接将被测量转换为输出量的能量 能量控制型由外部提供能量，而由被测量控制 输出量能量 按构成原理分类 结构型传感器 物性型传感器 结构型通过敏感元件结构参数变化实现信息转 换；物性型通过敏感元件材料物理性质的变化 实现信息转换 按输出信号分类 数字式传感器 模拟式传感器 输出为数字量 输出为模拟量 13 五、对传感器的一般性要求 可靠性 精度（动、静） 抗干扰 通用

8、性 外形小 成本低 能耗小 14 六、传感器的发展方向 提高精度和扩大测量范围提高精度和扩大测量范围 低功耗及无源化低功耗及无源化 新原理新原理 新材料新材料 微型化、集成化、智能化微型化、集成化、智能化 仿生传感器仿生传感器 15 第一章 传感器基础 传感器的特性 传感器的数学模型 传感器的静态特性 传感器的动态特性 传感器的标定 特性：输入与输出之间的关系，一般用一特性：输入与输出之间的关系，一般用一 个输入个输入-输出曲线、一个函数关系或一个输出曲线、一个函数关系或一个 微分方程式来表示。微分方程式来表示。 16 第一节 传感器的数学模型 什么是模型？ l模型是略去无用和次要因素，对所关

9、心的具 体问题的内在实质的抽象反映。 研究数学模型的目的和意义 l理论指导实践，例如 y=kx 线性模型 l可以获得传感器的全面信息 l在传感器的设计时不盲目 电动式动态力测力传感器 F-被测动态力 v-速度 E-感生电动势 I-感生电流 F-安培力 FF E I v 18 构造一个四端网络模型 逆变换器 基本变换器 预 变 换 器 电 变 换 器 理想变换器 F I Ev 机机 械械 端端 口口 电电 端端 口口 F 机电模拟 F k c m L R CE 机械系统模型机械系统模型电路系统模型电路系统模型 机电模拟 dv mcvk vdtF dt dI LRIC IdtE dt 机械系统微分

10、方程： 电路系统微分方程： - - v I F E 21 机电模拟， F-E；v-I Z m e v Y F E I F I E v 预变换器： 机械导纳 电变换器： 电阻抗 逆变换器： 逆变换器灵敏度 基本变换器： 基本变换器灵敏度 22 进一步抽象成信号流程图 FI Ev YmZe 汇节点汇节点 源节点源节点 半源半汇节点半源半汇节点 激励信号：F；I 响应信号：v；E mm mem vY FY I EY FZYI 23 其它形式的流程图 逆转支路的传输值取倒数 指向逆转支路的传输值取负数 24 F-v支路逆转、I-E支路逆转 激励信号： v；E 响应信号： F；I me ee FZYevY E IY vY E FI Ev ZmYe 25 F-v支路逆转、I-E支路不变 激励信号： v；I 响应信号： F；E m e FZ vI EvZ I FI Ev ZmZe 参数计算 机械端口可以看作如图所示 F k c m 22 ()() j t j t j t m mxcxkxF xv xAe xAejj x xAejjx Fk Zj mc vj 参数计算 EBlv FBlI E Bl v F Bl I 1 1 m m m e e Fk Zj mc vj Y Z ZRj L